無(wú)人機(jī)輸電線路智能巡檢技術(shù)綜述

楊洋菠 趙陽(yáng)

摘要：近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電負(fù)荷不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。但目前輸電線路的檢測(cè)仍以人工為主，效率低，局限性大，人員安全隱患大，難以滿足輸電線路持續(xù)快速增長(zhǎng)的需求。因此，智能巡檢是未來(lái)電網(wǎng)維護(hù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)輸電線路;智能檢測(cè)技術(shù);回顧分析研究

1無(wú)人機(jī)電源檢測(cè)的智能化要求

截至2017年底，中國(guó)輸電線路長(zhǎng)度為68.8萬(wàn)公里，每100公里有20家運(yùn)營(yíng)商使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢查，檢查時(shí)間達(dá)到160小時(shí)。架空線路檢查時(shí)，一般由專業(yè)人員收集一定部分的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)人工查看檢查是否存在缺陷，然后進(jìn)行標(biāo)記和處理。所以，在進(jìn)行檢查工作時(shí)，通常是每百公里產(chǎn)生80000多幅圖像，在以后的手冊(cè)中需要查看的數(shù)據(jù)大小是500GB，這種方式主要在于便攜式無(wú)人機(jī)（uav）設(shè)備在分辨率和屏幕上不夠，難以準(zhǔn)確查看現(xiàn)場(chǎng)缺陷，此外，存儲(chǔ)空間和電池壽命也非常有限，因此很難保證檢測(cè)工作的開(kāi)展。

2無(wú)人機(jī)智能巡檢輸電線路的現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)是一種由飛行員遙控的無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載傳感設(shè)備對(duì)架空高壓輸電線路進(jìn)行檢測(cè)和維修的技術(shù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，無(wú)人機(jī)可分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和復(fù)合翼無(wú)人機(jī)。其中無(wú)人直升機(jī)體積大、控制困難、成本高，很少用于輸電線路巡檢。多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、靈活，可垂直起降、準(zhǔn)確懸停。然而，它能承受較小的載荷，機(jī)動(dòng)性和飛行高度較低，續(xù)航時(shí)間較短。固定翼無(wú)人機(jī)巡航速度快，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，但需要跑道起降，不能懸停;多旋翼與固定翼組合的復(fù)合翼無(wú)人機(jī)具有多旋翼與固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，尚未用于高壓輸電線路的檢測(cè)。

在輸電線路無(wú)人機(jī)檢測(cè)中，無(wú)人機(jī)是攜帶遙感設(shè)備監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的平臺(tái)。常用的遙感探測(cè)方法有可見(jiàn)光成像、紫外成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)電能等，可見(jiàn)光遙感探測(cè)利用攝像機(jī)等可見(jiàn)光采集設(shè)備來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光傳輸線及其附屬動(dòng)力設(shè)備的特性和性能變化，已廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)對(duì)傳輸線的檢測(cè)。紫外遙感探測(cè)主要利用紫外遙感設(shè)備探測(cè)輸電線路和電力設(shè)備是否發(fā)生電暈放電或局部閃絡(luò)。由于成本高，紫外遙感探測(cè)在輸電線路無(wú)人機(jī)的檢測(cè)中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。紅外遙感檢測(cè)主要利用紅外熱像儀等設(shè)備檢測(cè)電力設(shè)備在運(yùn)行中是否存在過(guò)熱缺陷現(xiàn)象;激光雷達(dá)探測(cè)主要用于地理信息測(cè)繪和輸電線路定位導(dǎo)航。

在對(duì)輸電線路進(jìn)行檢查的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)將拍攝大量輸電線路及其附屬電力設(shè)備的照片和數(shù)據(jù)。由于這些圖片的智能處理還處于研究階段，后期還需要人工處理。此外，現(xiàn)有的輸電線路巡檢無(wú)人機(jī)無(wú)法完全自主巡檢，巡檢質(zhì)量嚴(yán)重取決于無(wú)人機(jī)巡檢人員的專業(yè)水平。

3輸電線路無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1圖像數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于光學(xué)圖像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理具有智能化程度高、自動(dòng)化處理能力強(qiáng)、應(yīng)用商業(yè)軟件和少量人工干預(yù)等特點(diǎn)。然而，光學(xué)圖像數(shù)據(jù)（包括可見(jiàn)光圖像和紅外圖像）的智能處理仍處于初步研究階段。目前，光學(xué)圖像數(shù)據(jù)的智能處理是輸電線路無(wú)人機(jī)檢測(cè)圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)方向。傳統(tǒng)的電力設(shè)備圖像數(shù)據(jù)處理方法是基于人工設(shè)計(jì)特征提取機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像目標(biāo)檢測(cè)方法。然而，該方法存在檢測(cè)對(duì)象單一的問(wèn)題，存在漏檢或誤檢的風(fēng)險(xiǎn)。在輸電線路檢測(cè)中，常規(guī)缺陷有近900多種，電力設(shè)備種類繁多，設(shè)備形狀也有很大差異?；谏鲜鰝鹘y(tǒng)的圖像處理方法，只能檢測(cè)單個(gè)或少數(shù)電力設(shè)備，缺乏基本的通用性和高可靠性，實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值較低。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和智能算法的不斷發(fā)展，一些學(xué)者提出可以建立大數(shù)據(jù)集，并將深度學(xué)習(xí)算法引入到傳輸線無(wú)人機(jī)檢測(cè)圖像的數(shù)據(jù)處理中。根據(jù)現(xiàn)有研究，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在這一領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢?，目前難以建立一個(gè)相對(duì)完善的數(shù)據(jù)集，這制約了深學(xué)習(xí)技術(shù)在輸電線路無(wú)人機(jī)檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)智能處理中的發(fā)展。未來(lái)，通過(guò)不同單位和公司的合作，可以建立完善的動(dòng)力設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)集，在無(wú)人機(jī)檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)的

智能處理中充分發(fā)揮深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

3.2無(wú)人機(jī)自主巡航

無(wú)人機(jī)自主巡航是輸電線路無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)的核心部分。其巡航區(qū)主要分為塔區(qū)和近塔區(qū)。目前，輸電線路無(wú)人機(jī)的檢測(cè)還不具備自主或自動(dòng)檢測(cè)的能力。通常的方法是預(yù)先手動(dòng)設(shè)置運(yùn)行軌跡，然后基于GPS按照預(yù)定軌跡飛行。該方法具有明顯的缺點(diǎn)：（1）不能適應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)或周圍環(huán)境隨時(shí)間的變化，容易發(fā)生安全事故。例如，當(dāng)樹(shù)木生長(zhǎng)在靠近電線的地方時(shí)，無(wú)人駕駛飛機(jī)更有可能撞上它們。（2）該方法對(duì)無(wú)人機(jī)定位精度要求較高。然而，普通民用無(wú)人機(jī)的GPS誤差可能高達(dá)10米。雖然載波相位差技術(shù)可以克服這一問(wèn)題，但該技術(shù)需要建立更多的基站來(lái)覆蓋相對(duì)較寬的輸電線路，因此將該技術(shù)應(yīng)用于輸電線路無(wú)人機(jī)自主巡航的成本過(guò)高，不符合工程實(shí)際。目前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是解決上述問(wèn)題的一種潛在方法，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外，采用GPS和機(jī)器視覺(jué)輔助技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是輸電線路無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

3.3無(wú)人機(jī)續(xù)航能力

無(wú)人機(jī)續(xù)航能力不足是輸電線路智能檢測(cè)技術(shù)中的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，嚴(yán)重制約了輸電線路檢測(cè)的效率。目前，無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間通常在30分鐘左右。為了解決無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題，一些地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始采用搭建無(wú)人機(jī)巢穴的方法。無(wú)人機(jī)巢穴主要由一個(gè)由檢查車改裝而成的移動(dòng)巢穴和一個(gè)固定在塔頂?shù)墓潭ǔ惭ńM成。其中，移動(dòng)巢穴可以在一定程度上提高無(wú)人機(jī)檢測(cè)的耐久性，但不適應(yīng)無(wú)人機(jī)自主巡航的發(fā)展趨勢(shì)，且人工和維護(hù)成本較高。固定巢穴只需少量人工干預(yù)，更符合無(wú)人機(jī)自主檢測(cè)的要求，具有良好的應(yīng)用前景。然而，如何將固定巢穴技術(shù)集成到輸電線路無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)中，還存在許多技術(shù)難點(diǎn)需要克服。另外，無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)充電是一種較為理想的解決方案。通常，這種方法可以直接提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，但還有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。例如，如何在能源供應(yīng)端獲取能源，如何確保能源供應(yīng)的穩(wěn)定性，以及如何避免能源供應(yīng)的其他風(fēng)險(xiǎn)。利用傳輸線電磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電也是一個(gè)潛在的解決方案，但仍處于探索階段。

3.4無(wú)人機(jī)檢查方法和規(guī)定

目前，輸電線路無(wú)人機(jī)的檢測(cè)工作還處于試驗(yàn)階段，相關(guān)方法和技術(shù)還不成熟，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程還沒(méi)有形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)傳統(tǒng)的檢查方法和現(xiàn)有的檢查經(jīng)驗(yàn)，輸電線路無(wú)人機(jī)的檢查工作可分為三個(gè)部分：線路本體、輔助設(shè)施、通道和電源保護(hù)區(qū)。無(wú)人機(jī)檢查作業(yè)涉及人員配置、作業(yè)前準(zhǔn)備、無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備、巡線、圖像和視頻傳輸、圖像處理等多個(gè)步驟。

4結(jié)論

輸電線路無(wú)人機(jī)（uav）檢測(cè)技術(shù)正逐步向智能化方向發(fā)展，具有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值的內(nèi)容有：構(gòu)建智能三維檢測(cè)系統(tǒng)，集成直升機(jī)、旋翼機(jī)、固定翼飛機(jī)等進(jìn)行輸電線路雷達(dá)掃描，測(cè)溫、夜間巡視、防止外力等多種檢測(cè)工作，建立線路數(shù)字通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析;建立無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，通過(guò)提前規(guī)劃航路或利用無(wú)人機(jī)航路記憶功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡更，使巡更簡(jiǎn)單、安全、高效;實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)檢測(cè)中缺陷的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)頭部缺陷的自動(dòng)識(shí)別和圖像的自動(dòng)分類命名;無(wú)人機(jī)巡更視頻圖像后處理技術(shù)，結(jié)合桿塔坐標(biāo)，完成了桿塔在圖像中的快速定位，開(kāi)發(fā)了圖像與二維坐標(biāo)地圖的融合技術(shù)。

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